原子核 思维导图
中心主题：原子核
基本概念
- 定义:
- 原子的中心部分,占据了原子质量的绝大部分（>99.9%）。
- 由质子和中子通过强相互作用力紧密结合而成。
- 带正电荷,其电荷量决定了元素的化学性质。
- 发现简史:
- 卢瑟福 (1911): α粒子散射实验，提出原子核式结构模型（原子中心有带正电的核）。
- 查德威克 (1932): 发现中子，完善了原子核的质子-中子模型。
- 基本性质:
- 质量: 原子核的质量约等于其质量数（A）乘以一个原子质量单位。
- 电荷: 等于质子数（Z）乘以基本电荷量（e），决定了元素的原子序数。
- 大小: 半径 R ≈ R₀A^(1/3)，R₀ ≈ 1.2 fm，体积与质量数 A 成正比。
- 密度: 极高，约为 10¹⁷ kg/m³，像一个巨大的“原子核物质”。
组成与结构
- 核子:
- 质子: 带一个正电荷 (e)，质量约为 1.007 u，质子数 = 原子序数。
- 中子: 不带电，质量略大于质子（约 1.009 u），中子数 = 质量数 - 质子数。
- 核素:
- 定义: 具有特定质子数和中子数的一类原子核。
- 表示: 符号 ZᴬX，X 为元素符号，Z 为质子数，A 为质量数。
- 分类:
- 同位素: 质子数相同，中子数不同（如 ¹H, ²H, ³H）。
- 同中子异荷素: 中子数相同，质子数不同。
- 同量异位素: 质量数相同，质子数和中子数不同。
- 结合能与比结合能:
- 质量亏损: 原子核的质量小于其所有核子质量之和（Δm = Zmₚ + Nmₙ - mₙᵤcₗₑᵤₛ）。
- 结合能: 将原子核拆散成单个核子所需的能量 (E_b = Δm c²)。
- 比结合能 (平均结合能): 结合能与核子数之比 (ε = E_b / A)。
- 意义: 反映原子核的稳定性，比结合能越大，核越稳定。
- 曲线特征: 中等质量数的核（A≈50-60）比结合能最大，最稳定；轻核聚变、重核裂变都会向比结合能更大的方向进行，并释放能量。
核力与稳定性
- 核力:
- 性质:
- 强相互作用: 比电磁力强约100倍，比引力强约10³⁹倍。
- 短程力: 作用范围约 1-3 fm。
- 饱和性: 一个核子只与周围少数几个核子发生作用。
- 电荷无关性: 质子-质子、中子-中子、质子-中子间的核力大致相同。
- 交换力: 通过介子（如π介子）的交换实现。
- 性质:
- 原子核的稳定性:
- 决定因素:
- 质子数和中子数的比例:
- 轻核: Z ≈ N (稳定线)。
- 重核: N > Z (稳定线)，需更多中子抵消库仑排斥力。
- 幻数: 当质子数或中子数等于 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 时，原子核特别稳定（类似于原子中电子的满壳层结构）。
- 偶偶效应: 质子和中子数均为偶数的核（偶偶核）最稳定；奇奇核最不稳定。
- 质子数和中子数的比例:
- 稳定区: 大多数稳定核位于一条“稳定带”上，这条带随Z增大而向N增大的方向偏移。
- 决定因素:
放射性衰变
- 定义: 不稳定的原子核（放射性核素）自发地放出射线，转变为另一种原子核的过程。
- 主要类型:
- α衰变:
- 过程: 原子核放出α粒子（即氦核 ⁴₂He）。
- 规律: 衰变后，母核质量数A减4，质子数Z减2。
- 能量: 衰变能为Q值，由α粒子动能和反冲动能组成。
- β衰变:
- β⁻衰变: 中子转变为质子，放出电子 (e⁻) 和反中微子 (ν̄ₑ)，n → p + e⁻ + ν̄ₑ。
- β⁺衰变: 质子转变为中子，放出正电子 (e⁺) 和中微子 (νₑ)，p → n + e⁺ + νₑ。
- 电子俘获: 原子核俘获一个核外电子，使一个质子转变为中子，并放出中微子，p + e⁻ → n + νₑ。
- γ衰变:
- 过程: 原子核从激发态跃迁到较低能态或基态，放出γ光子（高能光子）。
- 特点: 不改变核的A和Z，只改变其内部能量状态，通常发生在α或β衰变之后。
- α衰变:
- 衰变规律:
- 衰变常数 (λ): 描述衰变快慢的物理量。
- 半衰期 (T₁/₂): 放射性核素数目衰变一半所需的时间，T₁/₂ = ln(2) / λ。
- 平均寿命 (τ): 核素在衰变前存在的平均时间。τ = 1 / λ = T₁/₂ / ln(2)。
- 放射性活度: 单位时间内发生衰变的原子核数目，A = λN = A₀e^(-λt)。
核反应
- 定义: 用一个粒子（入射粒子）轰击一个原子核（靶核），使其转变为另一个原子核（生成核），并可能放出其他粒子的过程。
- 表示: a + X → Y + b + Q (a: 入射粒子, X: 靶核, Y: 生成核, b: 出射粒子, Q: 反应能)。
- 类型:
- 吸能反应: Q < 0，需要外界提供能量。
- 放能反应: Q > 0，反应释放能量。
- 著名反应:
- 裂变: 一个重核（如²³⁵U）被中子轰击后，分裂成两个或多个中等质量的核，并释放巨大能量和更多中子。
- 应用: 核电站、原子弹。
- 聚变: 两个轻核（如²H, ³H）结合成一个较重的核（如⁴He），并释放出巨大能量。
- 应用: 氢弹、太阳和恒星的能量来源、受控核聚变（如托卡马克装置）。
- 裂变: 一个重核（如²³⁵U）被中子轰击后，分裂成两个或多个中等质量的核，并释放巨大能量和更多中子。
核模型
- 液滴模型:
- 思想: 将原子核比作一滴带电的液体。
- 成功之处: 很好地解释了核结合能的半经验公式、裂变现象等。
- 壳层模型:
- 思想: 将核子（质子和中子）视为在平均核势场中独立运动的粒子，其能级类似于原子中的电子壳层。
- 成功之处: 成功解释了“幻数”现象、原子核的角动量和磁矩等。
- 集体模型（综合模型）:
- 思想: 结合液滴模型和壳层模型，核子既在独立运动，又表现出集体振动和转动。
- 成功之处: 能解释原子核的转动和振动能谱。
应用
- 能源领域:
- 核裂变: 核电站发电。
- 核聚变: 未来理想能源（如ITER项目）。
- 医学领域:
- 诊断: 放射性示踪剂（如⁹⁹ᵐTc）。
- 治疗: 放射治疗（如钴-60刀、碘-131治疗甲亢）。
- 工业领域:
- 无损检测: γ射线探伤。
- 测厚仪: 利用β或γ射线测量材料厚度。
- 静电消除: 利用放射性物质使空气电离，消除工业静电。
- 考古与地质年代测定:
- 碳-14测年: 测定古生物、文物的年代。
- 钾-氩测年: 测定岩石和矿物的年龄。
- 科学研究:
- 合成新元素: 通过重离子核反应合成超重元素。
- 核物理研究: 探索物质的终极构成和基本相互作用。
相关概念
- 同位素: 见第2部分。
- 放射性: 见第4部分。
- 半衰期: 见第4部分。
- 结合能: 见第2部分。
- 核裂变: 见第6部分。
- 核聚变: 见第6部分。
- 强相互作用力: 维系原子核的力，见第3部分。
- 质量亏损: 见第2部分。
